大巷冒頂區封閉及無機材料充填技術

任寶勤

（山西晉煤太鋼能源有限責任公司，山西 呂梁 033000）

由于頂板局部結構變化等原因，巷道掘進過程中或掘進后，頂板冒落形成冒頂區。冒頂區懸露面積大、存在一定高度時，存在瓦斯積聚和再次冒頂風險，必須及時處理。常規的處理方法包括木垛人工勾頂或高分子羅克休泡沫充填，存在一定的安全隱患[1-3]。本文以山西晉煤太鋼能源有限責任公司中部集中輔助運輸大巷冒頂區為工程背景，研究冒頂區封閉和無機材料充填治理技術。

1 工程背景

山西晉煤太鋼能源有限責任公司中部集中輔助運輸大巷目前正在掘進當中，絕大部分在4+5 號煤層中掘進，采用矩形斷面，掘進寬度5.9 m，掘進高度4.65 m，掘進斷面積27.44 m2。

4+5 號煤層平均厚度為4.5 m，結構較簡單，夾矸多為泥巖。直接頂為砂質泥巖，厚度為5.44 m，深灰色，水平層理，節理發育，局部巖芯破碎，底部含黃鐵礦。

巷道沿頂掘進，由于直接頂節理發育、強度較低，在掘進過程中局部區域出現了冒頂，冒頂區大多為不規則拱形，中部高，兩側低，頂部經過了錨桿索支護，有大量錨索頭外露。主要存在4處冒頂區，具體統計見表1。

表1 中部集中輔助運輸大巷冒頂區統計表

傳統的冒頂區處理方式有兩種：（1）木垛人工勾頂；（2）注射高分子化學材料，如羅克休等。兩種方法都存在明顯的弊端，木垛人工勾頂效率低，作業危險性大，對頂板支護強度小，難以解決瓦斯積聚問題；羅克休泡沫充填效率雖高，但是充填物反應過程中溫度較高，曾發生多起有機材料充填燃燒事故，安全隱患突出，目前已經被限制使用。

本次計劃采用一種安全的無機充填材料，配合合理的泵送充填工藝，保證冒頂區充滿填實，同時材料絕對阻燃，反應溫度較低。

2 冒頂區底部封閉方案

冒頂區為底部開放式結構，而充填材料具備一定的流動性，充填前必須做好底部封閉。有兩種方式：

（1）方式一：下層支撐模板+頂部柔模袋，如圖1。頂部柔模袋的目的是柔模袋自身具備密閉性，可以有效防止漏漿，下層支撐模板保證充填體有著力點，底部平整。優點是對模板密閉性要求不高，具備支撐作用即可，柔模袋本身密閉性解決了漏漿問題；缺點是增加了柔模袋采購成本，且柔模袋并不一定能保證嚴格貼幫、充滿填實，尤其是頂部不平整區域、錨索頭外露區域有縫隙。

圖1 方式一示意圖

（2）方式二：下層密閉模板+頂部插管灌注，如圖2。冒頂區下方模板需要嚴格多層密閉，然后通過注漿管伸入冒頂區頂部直接灌注充填。方案優點是節約了柔模袋費用，材料能夠完全充滿填實，材料能夠滲入冒頂區周邊裂隙；缺點是對模板密閉性要求非常高，一旦密閉不嚴，會產生嚴重的漏漿問題。

圖2 方式二示意圖

分析方式一和方式二，認為方式二雖然操作較為復雜，但充填效果相對更好。

確定采用方式二封閉冒頂區，具體實施工藝如下：

（1）掏梁窩固定鋼梁。沿冒頂區下沿，在兩側巷幫掏對稱梁窩，梁窩間距600 mm，巷道寬度5.9 m，制作6.5 m 長π 型鋼梁，送入梁窩，固定在巷幫上，防止墜落，同時下方用單體柱支撐，單體柱間距1.1 m，每排5 根。在冒頂區下方按照600 mm間距依次鋪設固定鋼梁，形成底部初始支撐模板。

（2）π 型鋼梁上方鋪設雙層鋼筋網。采用10 cm×10 cm 網格的鋼筋網，鋪在π 型鋼梁上方，搭接寬度不小于300 mm，鋪設雙層。

（3）雙層鋼筋網上方鋪多層風筒布。采用廢舊風筒布，要求不能破損，沿鋼筋網上方依次搭接鋪設，搭接寬度不小于500 mm，至少鋪3 層。冒頂區邊緣處要沿邊緣向上至少鋪500 mm 高，盡量貼幫，固定在幫上。如圖3。

圖3 模板支設示意圖（m）

（4）沿巷道走向方向，在巷道正中位置，每隔2 m 左右往上插入一根注漿管，注漿管采用4 分或6 分鋼管，2 m/根，絲扣連接加長。注漿管頂端要接觸到頂板，注漿管在模板上位置要填塞棉紗，防止漏漿。如圖4。

圖4 注漿管布置示意圖（m）

3 無機充填材料及充填工藝

3.1 無機充填材料

冒頂區充填材料應以充填體輕質、固化快、膨脹倍數高、材料用量少、完全阻燃為主要原則，起到充滿填實、避免瓦斯積聚的目的。

本次使用的無機充填材料為一種純無機發泡材料，絕對阻燃，分A 型和B 型，分別加水攪拌，水灰比1.5:1，混合后約1～2 min 失去流動性，10～15 min 完全固化。成型后充填體密度約0.6 g/cm3，最高反應溫度35 ℃，膨脹4～5 倍，2 h 強度0.6 MPa，3 d 強度2 MPa。

3.2 充填工藝

充填系統如圖5。注漿泵采用一臺2ZBQ50/19雙液氣動注漿泵，A 料B 料同步出漿，配備兩個氣動攪拌桶QB260，2 個盛漿桶。采用兩趟管路分別輸送兩種漿液，單漿可輸送500 m 左右，實現遠距離輸送。在充填點位置通過三通混合器混合，連接注漿管開始充填。

圖5 充填系統示意圖

充填過程中，注意事項如下：

（1）注意A 料和B 料配比，避免比例不均勻造成凝固速度慢；

（2）控制充填速度，給漿液足夠的凝固時間，防止模板壓力過大出現漏漿；

（3）要時刻注意漏漿情況，出現漏漿要及時停泵，加固模板；

（4）在高冒區最高位置插入1 根返漿管，返漿管有漿液流出作為充滿標志，可以停止。

3.3 錨索補強

充填完畢后，向頂板施工錨索，將充填體吊掛在上層穩定頂板上。錨索間排距1.5 m×1.5 m，長度7.3 m。

4 實施效果

4.1 實施情況

對4 處冒頂區實施了無機充填材料充填，實施情況見表2。4 處冒頂區總體積253 m3，模板支設累計用時34 h，純充填時間27 h，消耗無機充填材料49.2 t，實施速度快。

表2 冒頂區實施情況表

4.2 效果考察

冒頂區充填完畢后，實施錨索鉆孔。通過錨索鉆孔進行鉆孔窺視，發現充填體與頂板緊密貼合，沒有縫隙。經過連續2 個月的巷道頂板觀測，頂板下沉量幾乎為零。

5 結論

（1）采用“下層密閉模板+頂部插管灌注”方式，可以有效封閉冒頂區底部，治理效果更好。

（2）無機充填材料為純無機發泡材料，絕對阻燃，分為A 型和B 型，水灰比1.5:1，混合后約1～2 min 失去流動性，10～15 min 完全固化。成型后充填體密度約0.6 g/cm3，最高反應溫度35 ℃，膨脹4～5 倍，2 h 強度0.6 MPa，3 d 強度2 MPa，可以滿足性能和安全要求。

（3）4 處冒頂區總體積253 m3，模板支設累計用時34 h，純充填時間27 h，消耗無機充填材料49.2 t，實施速度快，充填完畢后充填體與頂板緊密貼合，頂板下沉量幾乎為零。